空前嚴謹測試明年上路 USB4線纜認證不簡單

2020-08-28
USB4終端認證預計在2021年開放測試,複雜程度遠超過歷代規範,測試時間也比TBT3長。USB-IF公布USB4規範當中,線纜、連接器、供電標準和需求較USB 3.2更加嚴謹,線纜設計、品質與穩定性是重要關鍵。

 

USB開發者論壇(USB-IF)協會在2019年宣布USB4規範,說明未來攜帶型電子產品若使用USB4技術,毋須額外開孔支援其他技術,不僅達到節省成本及減小體積的目的,周邊設備也能發揮更高速的傳輸速度,但也同時為線纜設計製造與認證帶來新的挑戰。

隨著科技日益發展,3C產品的使用便利性與相容性也與日俱增,自2000年USB-IF協會發表USB 2.0後,正式開啟了資料傳輸介面統一的革命。USB-IF協會接著在2008年、2013年分別發布了USB 3.0和USB 3.1,直至2019年公布USB4相關規範。

目前USB-IF協會初步公開USB4線纜和連接器標準及需求(需求頻寬15GHz,測試頻寬20GHz),相較先前USB 3.2的特性要求更加嚴格。以線纜舉例來說,線纜劃分為主動式(Active)和被動式(Passive)兩種類型,主動式線纜利用晶片,來放大訊號或重新編碼;被動式線纜則沒有任何晶片處理訊號,只單純依賴線纜來傳輸,兩者在使用長度上差異甚大,但在線纜設計上幾乎沒差異。

線纜設計、品質及穩定是關鍵

USB-IF協會針對主動式線纜晶片分兩種,依目前晶片廠的設計,Re-timer與Re-driver相比,設計方面較困難與複雜,兩者之間存在差異。Re-driver單純放大訊號,而Re-timer則是重構訊號,再發送訊號出去,Re-timer晶片設計成本明顯高於Re-driver。目前,光及銅導體還是主要傳輸方式,無論主動式或被動式線纜都須符合Type-C連接器規範需求,如表1所示。

主動式或是被動式線纜都是放大訊號或重組訊號,因此,線纜的設計、品質及穩定性扮演非常重要的角色。目前使用銅導體傳輸結構有三種:同軸線、對絞線和併線,其中,極細同軸線結構最普遍應用在USB Type-C,優點是體積小,但連接器上的加工卻是最大挑戰。相比之下,絞線加工方式較極細同軸線容易。

高速訊號線設計的挑戰

USB-IF協會目前已釋出USB4衰減需求,若利用符合被動式線纜USB 3.2 Gen2使用長度1公尺的同軸線,如圖1所示,則無法滿足USB4需求,必須縮短使用長度。

圖1  同軸線與USB4衰減

另外,雖然主動式線纜能利用晶片,放大訊號來增加長度,但同時也放大了雜訊干擾,因此主動式線纜相較被動式線纜更重視製程穩定性。訊號透過纜線傳輸至晶片時,若線纜品質不穩定,特性差異非常大,每一條線材欲達相同的品質,無疑是成為電線廠製程工藝及管理的最大挑戰。

在高速訊號線設計裡,不僅僅考量使用長度及特性需求,還需要考量客戶加工手法以及產品的耐用性。

以最廣泛的結構運用在USB4同軸線來說,如表2所示,同軸線的設計及製程已經決定特性及品質好壞,成纜、編織和外被押出都是損耗,所以各製程的機台選擇、參數設計及製程能力都需要來加以驗證及設計。

不僅如此,加工廠加工方式也直接或間接影響生產同軸線的品質。若大多數加工廠使用光學鏡頭對焦及雷射切割,芯線顏色便成為製程穩定性的考量;遮蔽材料的包覆也影響加工的便利性,另外,加工時導體及絕緣長度也直接影響了所有的特性。

USB相關線材及連接器認證

針對USB相關的線材及連接器認證測試可分四個部分,包括機械性測試、環境測試、效能測試和電性測試。

* 機械性測試:包含Mating/Un-Mating Force、Durability、4-Axis Continuity等,確保產品的機械性夠強韌,足以負荷消費者的各種使用情況。

* 環境測試:包含Temperature Life、Thermal Shock、Cyclic Temp. & Humidity、Mixed Flowing Gas等,確保產品能在多種條件的環境下使用。

* 效能測試:包含Attenuation、Skew、Insertion Loss、Attenuation等測試,主要了解產品的訊號傳輸品質,確保產品能正常傳輸高速訊號。

* 電性測試:包含LLCR、Capacitance、Withstand Voltage、Insulation Resistance,除了明白產品的品質,也能確保在高電力傳輸下不會造成產品損壞,保障使用者安全。

針對供電(Power Delivery,簡稱PD)標準,協會也制定兩本MOI,規範產品需要進行的認證測試,分別為Deterministic MOI和Communication Engine MOI,確保正確使用PD的功能,在高功率的電源傳輸模式下不會造成任何危險。

除此之外,Type-C在不支援PD情形下,本身可以提供5V/3A的電力,造成許多供應商利用此特性,來發展電源供應裝置。因此,協會定義出一種產品歸類為Power Brick,凡是充電裝置帶有Type-C母座或是Type-C Captive Cable公頭,經過認證測試後,即認證為Power Brick並使用Charger的標誌。

USB4終端產品

USB4在終端產品的定義上,普遍被認為是Thunderbolt 3的進階版本,但從USB4規格表(表4)指出,Thunderbolt 3僅僅是USB4涵蓋的功能之一,因此無法利用現行的TBT3測試規範,來驗證USB4的產品。

USB4在連接介面的連接器僅採用USB Type-C,傳輸速率從USB3.2 Gen2×2的20Gbps提高至USB4 Gen3×2的40Gpbs,電源供應能力支援PD 3.0可最高到100W(20V@5A),支援影音傳輸規格DP1.4等功能,USB4的技術應用趨近完美且多工。當攜帶型裝置使用USB4技術後,便無需再另外開孔支援其他技術,可達到節省成本及減小體積的目的。

測試複雜程度更甚以往

USB4終端認證測試預計在2021上半年開放,測試需求採用Testing Matrix規範(見表6),測試複雜程度遠遠超過歷代USB規範,也較TBT3測試時間耗時。

現階段USB-IF以USB4的Controller驗證為主,晶片則在USB-IF實驗室驗證完成後,預計推出部分Golden Sample,屆時才能擁有能力進行完整認證測試,推估2020 Q4推出USB4的Controller,2021年上半年能掌握驗證終端產品的能力。

圖2  USB-IF公布最新USB4規範

透過第三方解鎖認證要求

為解決高速電纜的安全隱憂與測試需求,國際安全科學機構UL除了對此發布高速傳輸數據電力線纜的安全標準UL 9990,亦透過客製化課程內容,提供全面性電纜設計服務,利用實際案例來進行實作教學,也可協助產線設計,達到品質管控,相關提供的課程內容包括:

* USB4實務設計及製程管控:內容包括線材及生產設計、品質追蹤

* 光纖原理介紹與實務設計:設計、設備及品質驗證

* 產線規畫:設備製程能力研究及品質追蹤

* 電纜安規設計:UL 9990設計

由於USB-IF協會尚未開放USB4認證,目前UL提供Cable及Connector的預測試服務,終端產品亦能針對Phy部分執行驗證,協助客戶在認證開放前完成產品設計規畫。

UL與USB-IF攜手合作 打造安全USB車用環境

由於UL長期從事安全認證和稽核工作,因此自2016年開始,UL積極與USB-IF協會合作,在2016年下半年成為協會認可的測試實驗室(Independent Test Labs, ITL),協助USB-IF協會執行線材和連接器認證測試,管控市場上的商品,近年持續擴大測試實驗室與相關高速線纜的測試能力,把關未來高速線纜的安全與測試發展。

(本文作者任職於全球安全科學公司UL)

 

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!